半导体器件原理 第六章

6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱 和电压
VGS
VGS
单边n沟JFET
单边p沟JFET
近似为单边突变结，设沟道宽度为a，热平衡时的耗尽层 宽度为h，内建电势为Vbi，外加栅源电压VGS，内建夹断电
压Vpo，夹断电压Vp
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
空间电荷区宽度为： 1 2 s (Vbi VGS ) 2 h[ ] eN d 在阈值点， h a , p n结 的 总 电 势 称 为 内 建 断 夹电 压 ， 用V po 表 示 2 sV po 1 a [ ]2 eN d 2 eN d a V po 2 s 把 形 成 沟 道 夹 断 所 加栅 的源 电 压 称 为 夹 断 电 压 （ 阈 电） 压VP Vbi V p VPo n沟 耗 尽 型 JFET ， 夹 断 电 压 是 负 值 ， 此 因VPO Vbi
漏电流同时决定于栅源电
压和漏源电压 饱和区： 漏电流与漏源电压无关， 只决定于栅源电压
6.1.2 MESFET的基本工作原理
MESFET （ Metal-Semiconductor FET ） 是 一 种 由
Schottky 势垒栅极构成的场效应晶体管，适用于高频 应 用 ， 如 工 作 频 率 超 过 5GHz 的 放 大 器 和 振 荡 电 路 中。可以作为分立器件，也可以做成集成芯片， GaAs-MESFET是微波集成电路的核心。
ID存在，且仍由导电沟道区电特性决定
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
击穿区：（VDS大到漏栅结的雪崩击穿电压 ）
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
2、 VGS<0的情况：（1）器件偏置特点（VDS=0）
零偏栅压
小反偏栅压
VGS<0
漏（源）栅结已经反偏 ； 耗尽层厚度大于VGS =0的情况； 有效沟道电阻增加。
6.1.1 pn-JFET
沟道随VGS变化情况 (VDS很小时)
为分析JFET的基本工作原理，首先假设
一个标准的偏置条件。VG≤0：pn结是零
偏或反偏。
VD≥0：确保n区电子从源端流向漏端。
通过系统改变电压来分析器件内发生的变
化。
1.
ID-VDS特性曲线随VGS的变化会有什么变化？
（1）VGS=0，顶部和底部的p+n结处于热平衡，沟道宽度
如果把半绝缘衬底用本征材料，其能带如图所示。因为
在沟道与衬底之间，沟道与金属栅之间存在势垒，电子 将被束缚在沟道中。
MESFET分为耗尽型（D- MESFET）和增强型（E- MESFET）
耗尽型： VG=0时，沟道 没有完全耗尽
VG=0时，沟道已完全耗尽，必须加一个正向偏压， 以减少耗尽层宽度，增加沟道电流
（2） ID—VDS关系
VDS较小： 线性区
VDS增大： VDS较大： 增加到正好使漏 端处沟道横截面 积 =0 夹断点：沟道横 截面积正好=0
过渡区
6.1.1pn-JFET
漏源I-V特性定性分析
不断增大漏电压，直到靠近漏端附近的顶部和底部的耗尽
区最终连接到一起，此时沟道完全耗尽，这一条件称为 “夹断”，所对应的漏电压称为“夹断电压”。 饱和区：（ VDS 在沟道夹断基础上增加）
6.1.1pn-JFET
（2） I D — V DS关系
漏源I-V特性定性分析
特点：a. 电流随电压变化趋势，基本过程相同， b. 电流相对值减小。 c. 夹断电压变小，VDS(sat: VGS<0)<VDS(sat: VGS=0) d. 击穿电压变小，BVDS(sat: VGS<0)<BVDS (sat:VGS=0)
6.1.1pn-JFET
VGS足够小 3、
漏源I-V特性定性分析
VGS
VGS ↓= VP使上下耗尽层将沟道区填满， 沟道从源到漏 I D ＝0 ，器件截止。 彻底夹断，
结论：栅结反偏压可改变耗尽层大小，从而控制漏电流大小。
6.1.1pn-JFET
非饱和区：
漏源I-V特性定性分析
N沟耗尽型JFET的输出特性：
增强型：电压摆幅小，因为所加正压不能太高， 否则从电流从栅极走掉了
第六章：结型场效应晶体管
6.1 JFET概念 6.2 器件的特性 6.3 非理想因素 6.4 等效电路和频率限制 6.5 高电子迁移率晶体管
6.2 器件的特性
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
最宽，漏端加一个小的VDS，就形成漏电流。
VGS=0
（2）栅极加负偏压VGS<0时，顶部和底部的p+n结都处于反
偏,增加了耗尽层宽度，而使沟道的宽度变窄，沟道电阻变 大，使ID-VD曲线中线性部分的斜率变小。 栅极加负偏 压VGS<0
（3）对于较大的负偏压VG，即使VD=0，也可能使整个沟道
都处于耗尽状态。当VD=0，使整个沟道完全耗尽的栅电压
调制（影响）下面半导体的电 导，从而实现AB两端的电流控 制。
场效应：半导体电导被垂直于半
导体表面的电场调制的现象。
特点：多子器件，单极型晶体管
6.1.1 pn-JFET基本工作原理
1952年，Shockley首次提出并分析了结型场效应晶体
管。
在JFET中所加的栅电压改变了 pn结耗尽层宽度，耗
管的工作电流仅由多数载流子输运，故又称之为“单 极型(场效应)晶体管”。
JFET可分为两类：
Pn结场效应晶体管（pn JFET），pn结制成；
金属-半导体结型场效应晶体管（MESFET），肖特基
势垒整流接触结制成。
所用知识：半导体材料、PN结、肖特基势垒二极管
第六章：结型场效应晶体管
6.1 JFET概念 6.2 器件的特性 6.3 非理想因素 6.4 等效电路和频率限制 6.5 高电子迁移率晶体管
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
对 于p沟JFET 2 s (Vbi VGS ) 1 h[ ]2 eN a 在阈值点， h a , n p结 的 总 电 势 称 为 内 建 断 夹电 压 ， 用V po 表 示 2 sV po 1 a [ ]2 eN a eN a a 2 V po 2 s 把 形 成 沟 道 夹 断 所 加栅 的源 电 压 称 为 夹 断 电 压 （阈电压） VP Vbi V p VPo或VP VPO Vbi P沟 耗 尽 型 JFET ， 夹 断 电 压 是 正 值 。
6.1.2 MESFET的基本工作原理
肖特基势垒代替PN结
耗尽型：
当在栅源极之间加一个反偏 电压时，金属栅极下面产生 一个空间电荷区，用以调制 沟道电导。如果所加负压足 够大，空间电荷区就扩散到 衬底，这种情况称为夹断。
耗尽型：加负压耗尽层扩展到夹断（正压情况不行）
6.1.2 MESFET的基本工作原理
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
2 s (Vbi VGS 源端的耗尽层宽的： h1 [ ] eN d 2 s (Vbi VDS VGS 1 漏端的耗尽层宽的： h2 [ ]2 eN d 当h2 a时 ， 沟 道 夹 断 在 漏 端 生 发， 这 时 对 应 的 漏源 电 压V 用 （sat )表 示 DS 1 2 s (Vbi VDS ( sat ) VGS 2 a [ ] eN d ea 2 N d 也可表示为： Vbi VDS ( sat ) VGS VPO 2 s VDS ( sat ) VPO (Vbi VGS )当VGS〉VP时 ， 此 式 将 失 去 意 义 对 于p沟JFET , 则 有 ： VDS ( sat ) VPO (Vbi VGS )
（3）当VD增加到零点几伏以上时，由于从沟道电阻逐渐增大，ID-VD 曲线的斜率将
会减小。
（4）不断增大漏电压，直到靠近
漏 端附近的顶部和底部的耗尽区最 终连接到一起，此时沟道完全耗尽， 这一条件称为“夹断”，所对应的 漏电压称为“夹断电压VDsat” (5) 当VD>VDsat后，随VD的增加， ID基本保持不变，达到饱和
在N型半导体硅 片的两侧各制造 一个PN结，形 成两个PN结夹 着一个N型沟道 的结构。P区即 为栅极，N型硅 的一端是漏极， 另一端是源极。
G－栅极（基极） S－源极（发射极） D－漏极（集电极）
JFET的基本结构(n沟道结型场效应管）
6.1.1 pn-JFET基本工作原理
漏源I-V特性定性分析
6.2.1 内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压
分析栅极和漏极同时加电压的情况：
由于漏端电压的作用，沟道中不同位置的电压
不同，所以耗尽层的宽度随沟道中的位置而不
同。
内建夹断电压、夹断电压和漏源饱和电压 栅极和漏极同时加上电压： 耗尽层的宽度随在沟道中的 位置不同而不同
N沟pn JFET器件的基本几何结构图
漏源电压在沟道 区产生电场，使 多子从源极流向 漏极。
对称n沟pn结JFET的横截面图
6.1.1 pn-JFET基本工作原理 与MOSFET比较
ID的形成：（n沟耗尽型）
如果源极接地，并在漏极加上一个小的正电压，则在漏源之
间就产生了一个漏电流ID。
两边夹 厚度几~十 几微米 对称n沟pn结JFET的横截面 结型:大于107Ω，绝缘栅:109～1015Ω。
6.1 JFET概念内容
6.1.1 pn JFET基本工作原理
6.1.2 MESFET基本工作原理
结型场效应管分类： pn JFET MESFET
JFET基本概念
场效应现象20世纪20年代和30年
代被发现，文献记载如图所示的 晶体管结构，是第一个被提出来 的固态晶体管。